STEM教育研究 Vol.6 (2024)

簡易な化合物濃度測定法の開発と高校探究学習に向けた有用性検証
The simplified measurement scheme of chemical concentrations
adapted to high school exploratory studies

市川 俊輔*1・長谷川 駿介*2・荻原 彰*3・米川 美有*1・杉澤 学*1,*4*1

三重大学教育学部・*2 豊川高等学校・*3 京都橘大学発達教育学部・*4 三重大学教職大学院

高等学校学習指導要領改訂により探究科目が設置され、すべての高等学校において、探究型学習が行われるものと考えられる。探究型学習を先駆けて行っているスーパーサイエンスハイスクール指定校では、環境水、大気、食品に含まれている化学物濃度を測定する化学実験が多く行われている。多くの高等学校では、分光光度計など高価な化学物濃度測定装置を保有していないため、化学分野の探究型学習を広く実施することが難しい状況にある。本研究では、多くの高等学校が所有しているスキャナー・パソコン、及び無料の画像解析を用いた、探究型学習に利用することのできる化合物濃度測定法を発案する。本研究手法によって、水溶液中のデンプン濃度、亜硝酸濃度、COD値など、高校探究型学習で頻繁に行われる化合物濃度測定を、広い測定範囲を持って、安価に実施できることを明らかにした。
キーワード：探究型学習、化学物濃度測定、呈色反応

1.

はじめに高等学校学習指導要領の改訂によって、これまで総合的な学習の時間として実施されてきた科目が、総合的な探究の時間に変更される。それに加えて、2022 年から実施される高等学校学習指導要領においては、古典探究、地理探究、日本史探究、世界史探究、理数探究基礎、理数探究の６つの探究科目が設置される（文部科学省，2018）。これらのことから、今後の学校教育では「探究型学習」が重視されていくものと考えられる。探究型学習とは、自ら立てた問いに対して、情報収集等のプロセスを立てながら解決へと導く能力を育んでいく学習のことである。
今回の探究型学習を重視した学習指導要領の改訂の経緯として、生産年齢人口の減少・グローバル化の進展・絶え間ない技術革新等により、社会構造や雇用環境は大きく急速に変化しており、予測が困難な時代となっていることが挙げられる。情報化やグローバル化が進展する社会において、多様な事象が複雑さを増し、変化の先行きを見通すことが一層難しくなってきている。また、急激な少子高齢化が進む中で成熟社会を迎えた日本において、一人一人が持続可能な社会の担い手として、その多様性を原動力とし、質的な豊かさを伴った個人と社会の成長につながる新たな価値を生み出していくことが期待される。こうした変化の一つとして、進化した人工知能が様々な判断を行ったり、身近な物の働きがインターネット経由で最適化される IoT が広がったりするなど、Society5.0 とも呼ばれる新たな時代の到来が、社会や生活を大きく変えていくとの予測もなされている（文部科学省，2018）。このような時代において学校教育には、子供たちが様々な変化に積極的に向き合い、他者と協働して課題を解決していくことや、様々な情報を見極め、知識の概念的な理解を実現し、情報を再構成するなどして新たな価値につなげていくこと、複雑な状況変化の中で目的を再構築することができるようにすることが求められている。このような背景から、探究型学習が学校教育において大きく取り上げられ、生徒のより主体的な学習活動を促すことができるようになっていくと考えられる。
一般社団法人日本経済団体連合会が 2018 年に行った「高等教育に関するアンケート」により、産業界が学生に身に付けていることを期待する資質、能力、知識として、１位が主体性、２位が実行力、３位が課題設定・解決能力であることが報告された（日本経済団体連合会，2018）。これら社会が学生に求める資質・能力・知識は、まさに探究型学習で育成することのできる能力であり、今回の高等学校の学習指導要領の改訂を支持するものであると考えられる。
本研究では、今回の高等学校学習指導要領の改訂－ 3 －STEM教育研究 Vol.6 (2024)

で新設された探究科目の中でも、「理数探究基礎」「理数探究」について焦点をあてる。理数探究基礎や理数探究では、様々な事象に関わり、数学及び理科の見方・考え方を組み合わせるなどして、探究の過程を通して課題を解決するために必要な資質・能力を育成する科目である。この科目の目標として、以下の３つが挙げられている（文部科学省，2018）。
（1）対象とする事象について探究するために必要な知識及び技能を身に付けるようにする。
（2）多角的、複合的に事象を捉え、数学や理科などに関する課題を設定して探究し、課題を解決する力を養うとともに創造的な力を高める。
（3）様々な事象や課題に主体的に向き合い、粘り強く考え行動し、課題の解決や新たな価値の創造に向けて積極的に挑戦しようとする態度、探究の過程を振り返って評価・ 改善しようとする態
度及び倫理的な態度を養う。
様々な事象についての探究の過程を通して、探究の意義・過程、研究倫理について理解させるとともに、観察・実験・調査等についての技能、事象を分析するための技能、探究した成果などをまとめて発表するための技能を身に付けさせることで、思考力、判断力表現力等を育成することが狙いとなっている（文部科学省，2018）。
将来の国際的な科学技術関係人材を育成するため、先進的な理数教育を実施するスーパーサイエンスハイスクール（SSH）指定校では、探究型学習を先駆けて行っている。これまで SSH 指定校での探究型学習
では、たとえば環境水や食品中の化合物濃度の測定が頻繁に行われてきた。多くの高等学校では分光光度計など高価な化合物濃度測定装置を保有していないため、連携をしている大学や研究機関で分光光度計を利用するか、またはパックテスト（株式会社共立理化学研究所）などの簡易な測定キットで測定する方法をとっている。
これまでは SSH 指定校を中心に探究型学習が行われてきたが、今回の学習指導要領の改訂によって、すべての高等学校が同様の探究型学習を行うことになる。多くの高等学校が大学や研究所など連携機関をもっていない。大学や研究所も多くの高等学校に実験装置などを貸し出すことは不可能である。また、簡易化合物濃度測定キットでは、測定範囲や測定精度の観点で、用途が限定的なものが多い。
したがって、多くの高等学校が一般的に所有している器具・設備を用いて化合物濃度を測定できる教材を提案することが、今後の高等学校における探究型学習において有用だと考えた。これまでに、試料溶液を撮影したデジタル画像からピクセル値や RGB値を取得して、化合物濃度との関係を考察した論文が多数報告されているが（田口ら，2001、菊地ら，2002、古賀ら，2004、小池ら，2006、Kohl et al. 2006）、高校で汎用される簡易の化合物濃度測定キットとの比較などを通した実用性検証は十分にされていない。本
研究は、スキャナー・パソコン・フリーの画像解析ソフトを用いて化合物濃度測定を行う方法を発案し、その有用性を検証する（図１）。

２．材料と方法
2.1.デンプン溶液のヨウ素デンプン反応による呈色10.0 g の可溶性デンプン（関東化学株式会社）に蒸留水を加えて 1000 g とし、加熱しながらマグネティックスターラーで撹拌して完全に溶解して、1.0%デンプン溶液を作成した。希釈したデンプン溶液 10 mlに、ヨウ素溶液（2% KI、1% I2）30 μl を加え、ボルテックスミキサーで撹拌し、ヨウ素デンプン反応による呈色を確認した。

図１：本研究で提案する簡易な化合物濃度測定のスキーム

2.2. α‐アミラーゼによるデンプン分解反応
1 g の α‐アミラーゼ（富士フイルム和光純薬株式会社）に、蒸留水を加え溶解して 1000 g とし、α‐アミラーゼ溶液とした。0.1%デンプン溶液 10 ml をとった試験管を 40 ℃に設定した恒温水槽でプレイン－4－

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キュベーションし、α‐アミラーゼ溶液を加えて酵素分解反応を行なった。任意の酵素分解反応時間が経過した時点で、1M HCl を 1 ml 加え、反応を停止させた。反応停止後にすぐにヨウ素溶液を加え、ヨウ素デンプン反応による呈色を確認した。

2.3.亜硝酸ナトリウム溶液のザルツマン試薬での呈色
10 mg 亜硝酸ナトリウム（富士フイルム和光純薬株式会社）に、蒸留水を加え溶解して 2000 g とすることで、5 mg/L 亜硝酸ナトリウム溶液を調製した。希釈した亜硝酸ナトリウム溶液 2 ml にザルツマン試薬（林純薬工業株式会社）を 1 ml 加えた後、撹拌し、5 分間静置した。その後の溶液の呈色を確認した。
2.4. グルコース溶液の過マンガン酸カリウムでの呈色グルコース（ナカライテスク株式会社）の水溶液
5 ml を調製し、そこに 1 M 水酸化ナトリウム水溶液を 2ml 加え、撹拌した。その後、4.0 mM 過マンガン酸カリウム溶液を 5 ml 加えて撹拌して、30 分間静置した。全量が 75 ml となるよう蒸留水で希釈して、呈色を確認した。

2.5. 各反応液の呈色評価と化合物濃度算出
各反応溶液を 96 ウェルプレートに 0.2 ml ずつ分注し、複合機のスキャナー機能を用いてデジタル画像を作成した（図１）。無料の画像解析ソフト Image Jを用いて、デジタル画像中のそれぞれの溶液の色調（RGB 値）を抽出した（小池ら，2006）。古賀らが報告したスペクトル変換解析を用いることで（古賀ら，2004）、RGB 値を入力するだけで化合物濃度が表示されるエクセルフォーマットを作成した。

３．結果および考察
3.1. α‐アミラーゼによるデンプン分解反応とその後のデンプン濃度測定
デンプンおよびその酵素分解は、学校教育学習カリキュラムや高校探究型学習にて、頻繁に学習対象として扱われる。まず、各濃度のデンプン溶液を調製し、ヨウ素デンプン反応での呈色を評価した。デンプ
ン濃度 0 - 0.1％において、濃度上昇に伴いヨウ素デンプン反応の呈色が強くなることを確認することができた（図２）。スキャン画像から各溶液の RGB 値を抽出し、スペクトル変換解析を行うことによって、デンプン濃度 (%)

0.10.080.06
0.040.02

図２：デンプン溶液のヨウ素デンプン反応での呈色0

上段に 0.01-0.1%デンプン溶液、下段に 0.1-1%デンプン

246810酵素反応時間（分）溶液の呈色を示す。右にいくほどに濃度の高いデンプン溶液の結果を示している。

0

図４：α‐アミラーゼによるデンプン濃度経時変化

図３：α‐ アミラーゼ処理したデンプン溶液のヨウ素デンプン反応による呈色－5－STEM教育研究 Vol.6 (2024)

アミラーゼによるデンプン分解反応は、既存の教科でもたびたび扱うことができる。高校理科生物基礎および生物では、生体内で化学反応を促進する因子として、アミラーゼを含む多様な酵素の触媒作用や基質特異性について扱う。高校理科化学では、化学反応速度などの観点から、化合物濃度や温度に加えて、触媒のはたらきついて学ぶ。デンプンやアミラー
ゼを含む酵素の話題は、家庭科の食品分野などでの話題で扱うことができる（光永，2016、山家ら，2019）。
以上の通り、本研究で提案するアミラーゼによるデンプン分解反応の実験系は、探究型学習はもちろん、既存教科の授業や教科横断的授業における、酵素反応の適切な理解に役立つものと考えられる。

3.2. 水質評価における亜硝酸濃度と COD の測定
5 mg/L までの各濃度の亜硝酸ナトリウム溶液を、ザルツマン試薬と混合し、その呈色と亜硝酸濃度との関係を評価した。亜硝酸濃度が大きくなるほど、直線的に呈色が強くなることを確認できた（図５）。同測定値としてのグルコース濃度 (mg/L)

本研究手法でデンプン濃度を算出できることを確認できた。一方で、デンプン濃度 0.1 - 1％においては、ヨウ素デンプン反応での呈色変化はほとんどなかった。続いて、0.1％デンプンの α-アミラーゼでの酵素分解反応を本研究手法で評価した。6 mg/L α-アミラーゼで処理すると、酵素反応時間が経つにつれて、デンプン溶液のヨウ素デンプン反応での呈色は小さくなることを確認した（図３）。60 mg/L α-アミラーゼで処理した場合は、酵素反応時間 1 分間で、ヨウ素デンプン反応の呈色が消失した。本研究手法によって、デンプン酵素分解反応中の経時的なデンプン濃度を定量した（図４）。本実験条件において、酵素反応初期に急激にデンプン濃度が低下し、約 2.5 分間で溶液中の 50％程度が分解されていることがわかった。
その後、緩やかにデンプン分解が進み、酵素反応時間10 分間ほどで反応溶液中のデンプンが検出できなくなった。
以上で示す通り、α-アミラーゼによるデンプン分解反応を、本研究手法により評価できることを明らかにした。

測定値としての亜硝酸濃度 (mg/L)

543210012348070605040302010050

調製した溶液中の亜硝酸濃度 (mg/L)

亜硝酸ナトリウム(mg/L)

00.5

11.522.5

33.5

44.5

1020304050607080

調整した溶液中のグルコース濃度 (mg/L)

グルコース(mg/L)

5

図５：本研究手法での 5 mg/L 亜硝酸ナトリウム濃度測定

01020304050607080

図６：本研究手法での COD 測定
上段に、本研究手法でグルコース濃度を測定した結果を上段に、本研究手法で亜硝酸ナトリウム濃度を測定した
結果を示す。エラーバーは標準誤差を表している。下段に示す。下段には、各濃度のグルコース溶液の過マンガン酸カリウムでの呈色を示している。

は、各濃度の亜硝酸ナトリウム溶液のザルツマン試薬での呈色を示している。

－ 6 －STEM教育研究 Vol.6 (2024)

図８：パックテストでの COD 測定
0-100 mg/L グルコース溶液のパックテストでの呈色を、標準色あわせて示している。右にいくほど、10 mg/L ずつ濃度の高い亜硝酸ナトリウム溶液の結果を示している。

図７：パックテストでの亜硝酸ナトリウム濃度測定
上段に、0-1.0 mg/L 亜硝酸ナトリウム溶液のパックテス
トでの呈色を、標準色あわせて示している。右にいくほど、0.1 mg/L ずつ濃度の高い亜硝酸ナトリウム溶液の結果を示している。下段に、パックテスト（青色）及び本研究手法（橙色）での、亜硝酸ナトリウム濃度測定の結果を示している。

様に、80 mg/L までの各濃度のグルコース溶液を過マンガン酸カリウム水溶液と反応させることにより、グルコース濃度が大きくなるほど、直線的に呈色が強くなることを確認できた（図６）。したがって、これら濃度範囲での亜硝酸および COD を、本手法で定量できることを明らかにした。

3.3.化合物濃度測定における本研究手法とパックテストとの比較
簡易化合物濃度測定キットであるパックテスト
WAK-NO2（株式会社共立理化学研究所）を用いて、標準色と比較することで、1 mg/L までの各濃度の亜硝酸ナトリウムを測定した。0.1-0.5 mg/L の間のおおまかな呈色の変化を観察することはできた。一方で0.5 mg/L 以上の呈色変化を目視で区別することは難しかった（図７）。株式会社共立理化学研究所が提供するスマートフォンアプリ「スマートパックテスト」
を用いることでより正確な測定が可能になるが、この場合も 0.5 mg/L 以上の亜硝酸ナトリウムを測定することは難しかった。パックテストによる濃度測定
では、0.5 mg/L 以上の亜硝酸ナトリウム溶液について、濃度を過小評価する傾向があることがわかった。
一方で、本研究手法を用いた場合、5.0 mg/L の亜硝酸溶液の濃度を、正確に定量できることがわかった（図５、７）。
同様にパックテスト WAK-COD-2 を用いて、グルコース溶液を用いて COD を測定した。0、10、20 mg/L
グルコースを、標準色との比較およびスマートパッ
クテストによって測定することができたが、それ以－ 7 －STEM教育研究 Vol.6 (2024)

表１：亜硝酸ナトリウム濃度測定における本研究手法とパックテストとの比較
本研究手法
パックテストWAK-NO2
測定範囲
0-5.0 mg/L
0-0.5 mg/L

測定時間

約 30 分間

約 10 分間測定結果の正確さ◎○

１試料の測定に必要な費用約2円

また、１試料の測定に必要な費用について、算出した。パックテストでは１試料あたり約 100 円が必要である。本研究手法で試薬にかかる費用は１試料あたり約２円であり、パックテストと比較して測定コ
ストは 1/50 である（表１）。予算の制約がある学校教育現場において、多人数の高校生を対象とする高校
探究型学習を実施するにあたり、測定コストが小さいことは、非常に重要だと考えている。

４．結論

約 100 円上の濃度のグルコースを測定することは難しかった（図８）。一方で、本研究手法では 80 mg/L グルコー
スまでを測定することができた（図６）。以上の結果で示す通り、パックテストは簡易な化合物濃度測法として非常に有用であるが、その測定濃度範囲は狭いという特徴がある。
環境水として、たとえば宮城は、地下水中に 5-12mg/L ほどの亜硝酸が含まれていることを報告している（宮城，2013）。また同様に梅田らは、農村部の地下水中に約 30 mg/L の亜硝酸が含まれていることを報告している（梅田ら，2004）。環境省が定める一般排水基準では、亜硝酸化合物及び硝酸化合物の許容限度は 100 mg/L とされている。環境水中の COD 測定について、工業排水や工業用水、生活用水中の CODとして約 50 mg/L の濃度を報告されている。特に、染色工場の排水では COD 値は大きく、130-500 mg/Lの濃度が報告されている（大森，1979）。環境省による COD の一般排水基準は 160 mg/L（日間平均 120mg/L）とされている。
本研究で用いたパックテストで正確に測定できる
亜硝酸ナトリウム濃度の測定範囲は 0.02-0.5 mg/L、COD の測定範囲は 5-50 mg/L だった（図７、８）。一方、本研究で示した方法（図１）では、5.0 mg/L までの亜硝酸ナトリウム濃度、80 mg/L までの COD の測定が可能なことを確認した（図５、６）。上述の通り、環境水中の亜硝酸および COD 値は大きく、したがって、環境水を希釈して目的化合物濃度を測定する際に、測定範囲が広いことは大きなメリットになる。

今後多くの高等学校において探究型学習が行われるものと考えられるが、化学分野での探究型学習で必要な化合物濃度測定を高校で実施することは難しい。本研究では、多くの高等学校が所有しているスキャナー・パソコン、及び無料の画像解析を用いた、探究型学習に利用することのできる化合物濃度測定法を提案した。本研究手法によって、水溶液中のデンプン濃度、亜硝酸濃度、COD 値を、安価に測定できることを明らかにした（表１）。これら化合物に限らず、濃度に応じた呈色反応を活用して、多様な化合物濃度を本研究手法で測定できるものを考えられる。本研究で提案する化合物濃度測定法は、多くの高校で化学分野の探究型学習を活発化させるために重要な方法となる。

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